离子交换及吸附树脂

离子交换及吸附树脂学习材料一、离子交换和吸附树脂发展简介1、发展史2、常用树脂分类3、树脂的功能二、离子交换树脂结构与性能1、树脂的结构2、树脂的结构与物理性能3、树脂的结构与化学性能4、大孔吸附树脂的结构与性能三、树脂的合成及性能测定1、树脂合成2、树脂功能基团的引入3、树脂的性能测定四、树脂应用技术一）、树脂应用的技术理论和特点二）、树脂应用筛选基本原理生化食品生产三）、树脂在抗生素上的应用四）、树脂的使用方法介绍五）、树脂的污染及处理一、离子交换和吸附树脂发展简介一）、发展史离子交换现象本身广泛地存在于自然界中，离子交换树脂最早诞生在20世纪三、四十年代，当时美国和英国的一些公司广泛的进行离子交换树脂的研究，陆续成功合成出聚苯乙烯、丙稀酸系的离子交换树脂，并逐渐成为一类新兴高分子材料产业，它可以简单地达到物质的分离、纯化、浓缩的目的，而不仅靠结晶、蒸发工艺。

五六十年代离子交换树脂有了较大地发展，大孔结构的树脂问世，先由美国罗姆-哈斯和西德拜耳公司投入生产，其具有交换和吸附的双重功能，为离子交换树脂的广泛应用开辟了新的前景。

随着世界各国对离子交换树脂研究的不断深入，相继又研制出大孔吸附树脂、热再生树脂、两性树脂、獒合树脂、惰性树脂、氧化还原树脂、均孔树脂等，目前离子交换和吸附树脂已成为世界范围内的一大产业，成为功能高分子领域的一重要分支。

我国最早从五十年代初由南开大学和上海医工院开始研制离子交换树脂，虽起步稍晚，但发展很快，到20世纪70年代，全国已建成投产树脂厂60多家，目前全国不同规模的离子交换树脂厂近百家，生产能力达10万吨以上，年产量在5万吨左右。

产品技术方面，通用树脂基本达到国际先进水平，专用树脂稍有差距，主要体现在树脂的专一实用性不强，特别是新兴行业专用树脂品种不全，研究的深度不够。

另外国家的产业政策不明确，无专业归口管理部门，阻滞了该产业的发展。

离子交换树脂和它的应用技术一直是相互促进、相互依存、共同发展的。

以水处理用树脂为例，其应用技术由初期的间歇式工艺、固定床工艺逐步发展到连续交换、逆流技术、双层床、混合床、三层混床等，相应的水处理用树脂品种也由最初单纯的001×7、201×7等发展为五、六个大类几十个品种、规格。

树脂应用的领域不断发展壮大，目前离子交换和吸附等类树脂广泛应用于水处理、医药、生化、食品、化工、核工业、环保等各行业，对我国工业经济发展起着举足轻重的作用。

比如在医药行业，离子交换、吸附工艺与溶媒结晶工艺并驾齐驱、共同发展，其分离、提纯的技术日益成熟，成为医药生产的关键单元操作过程。

二）、常用树脂分类目前使用的离子交换树脂大多是以苯乙烯、丙稀酸酯及其衍生物与二乙烯苯共聚或是以酚醛、胺类缩聚作为基体,通过引入不同性质的交换基团,成为一种不溶、不熔的高分子酸、碱或盐。

和低分子的酸、碱一样，根据他们的离解程度，树脂可分为强酸、弱酸、强碱、弱碱性离子交换树脂等，另外还有不含交换基团的大孔吸附剂等。

1、强酸性树脂以苯乙烯—二乙烯苯共聚为基体，引入磺酸基团而成，是当前用途最大、用量最大的一类交换树脂，如：001×7（732＃）等，其酸性相当于无机强酸，在任何的PH条件下都可显示交换功能。

2、弱酸性树脂主要是指含有羧酸基、磷酸基、酚基的交换树脂，在水中离解度较小，只能在中性或碱性条件下使用，其中以羧酸基弱酸树脂用途最广，它是由丙稀酸酯类单体和二乙烯苯共聚而成，制药业最初的成就是用于氨基糖甙类抗生素（如链霉素）的分离提炼，另外广泛地用于水处理。

3、强碱性树脂是以季胺基为交换基团的树脂，其碱性相当于季胺碱，可在较大PH条件下使用，其骨架是苯乙烯-二乙烯苯共聚体，用途广泛，该类树脂在-OH型时稳定性较差，仅限60度下使用。

4、弱碱性树脂这时指以伯胺、仲胺、叔胺为交换基团的树脂，其在水中离解程度小而呈弱碱性，在中性或酸性介质中使用。

目前使用的主要是丙稀酸系结构的树脂。

5、树脂按物理结构分类1）、凝胶型树脂：外观透明的均相树脂，树脂合成时不加致孔剂，这类树脂的球粒内没有毛细孔。

2）、大孔离子交换树脂；外观不透明的非均相树脂，一般在树脂合成时添加致孔剂，树脂内部有明显的孔道，孔体积一般在0.5毫升/克（树脂），也可更大，比表面积从几到几百平米/克，孔径从几到几万埃，由于这样的孔结构，适宜于交换吸附大分子的物质及在非水溶液中使用。

3）、大孔吸附树脂：这是一类专一性强、发展快、技术要求高的树脂品种，其骨架形式繁多，不引入任何交换基团，作用和活性炭类似，其对不同物质的选择性吸附差异主要由比表面、孔径、孔容、极性等决定，其作用的机理是通过分子间的表面张力实现对物质的吸附，目前该类树脂在制药、生化等行业发挥着重要作用。

6、其他：如热再生树脂、两性树脂、獒合树脂、惰性树脂、氧化还原树脂、均孔树脂等。

三）、树脂的功能离子交换树脂是一种用途极广的高分子材料，其功能有：✶1、离子交换✶2、吸附作用✶3、脱水作用✶4、催化作用✶5、脱色作用等1、离子交换：这是树脂的最基本的功能，主要有：中性盐分解反应、中和反应、复分解反应。

离子交换的反应通常是可逆的，反应方向受溶液中离子的性质、浓度、PH值、温度等因素的影响，利用树脂的可逆反应性质，实现了离子交换树脂的反复再生使用。

2、吸附作用离子交换树脂的吸附功能因大孔型树脂的发展而大大提高，大孔树脂不仅可从极性溶液中吸附弱极性或非极性物质也可从非极性溶液中吸附弱极性物质，另外还可以作为气体吸附剂使用。

3、脱水作用离子交换树脂的换基团是强极性的，有很强的亲水性，因此干燥的强酸树脂可做干燥剂。

4、催化作用离子交换树脂就是高分子的酸、碱，可代替低分子的酸碱用作有机合成的催化剂，如工业上已用于酯化反应、烷基化反应、烯烃水合等，且具有易分离、可再生的特点5、脱色作用色素大多数为阴离子性物质或弱极性物质，大孔离子交换树脂通过其交换和吸附的双重作用达到目的，且使用方便、周期长。

二、离子交换树脂的结构与性能一）、离子交换树脂的结构1、化学结构离子交换树脂是一类在交联的高分子链上带有许多化学基团的功能高分子化合物，这些基团由相反电荷的离子组成，在一定条件下离解，显示交换功能，这种化学结构特征是影响他的物理化学性质的主要因素。

不同类型的树脂具有不同性质的化学基团，如磺酸基、羧酸基、伯、仲、叔、季胺基等，在不同的PH条件下，其离解程度和交换能力有较大的差异。

2、立体交联结构立体交联结构是使树脂在各种水溶液和有机溶剂中表现为不溶不熔和物理、化学性质稳定的根本。

具有双烯烃和单烯烃结构的单体相互聚合才能形成一种体形结构（不同于线形）的骨架，然后根据需要引入不同的化学基团，骨架的紧密程度则是通过调整交联度来控制的。

3、孔结构过去孔结构并不为人们重视，概念也相当模糊，随着合成技术特别是大孔树脂的发展，研究树脂孔结构的变化对离子交换树脂的影响就显得十分重要。

早期树脂的孔一般指树脂的链间距较大，在30埃一下，孔的大小随树脂的收缩和膨胀都引起孔的较大变化，其实并不能称为真正的孔。

后来通过在聚合单体中加入特定的致孔剂，成球后再除去致孔剂，树脂中就形成了真正的毛细孔，可用物理方法测量它。

大孔树脂的孔径比分子间的距离大的多，根据树脂合成条件的不同，孔径可在几十埃至上万埃，孔结构也比较稳定。

二）、树脂结构与物理特性1、粒度离子交换树脂一般是作成球型，常用树脂的颗粒大小为0.30~1.20mm,树脂的粒度常以标准筛（美国标准）目数表示，公式为：球粒直径=16/目数（mm）。

离子交换树脂的粒度在干、湿状态或不同型式下是有较大变化的，从使用角度考虑，湿树脂的粒度值更为重要。

如何选择树脂粒度应根据设备、技术条件来定，在一般水处理中，粒度通常为0.30~1.20mm。

2、水份含量离子交换树脂湿亲水性高分子化合物，总是结合一定量的水分，此外树脂中也有部分游离水。

树脂的含水量受它的交联度、化学基团性质和数目，及结合的反离子的影响。

水分的测定法有干燥法、共沸蒸馏法、KF法。

3、密度离子交换树脂的密度表示法有两种：含水状态时的湿视密度；湿真密度。

树脂密度主要由其骨架结构和结合的化学基团决定的，湿视密度是设计交换装置时的重要参考指标。

4、膨胀度离子交换树脂是由亲油的骨架和亲水的基团构成，其在水、有机溶媒、不同离子态间相互转变时，树脂的体积会发生不同的膨胀或收缩，膨胀度的影响因素有：树脂交联度、基团的性质和数量、基团反离子的性质、介质等。

树脂的膨胀度也是交换装置设计时重要的参数和性能指标，膨胀度过大，装置的利用效率就低。

5、稳定性离子交换树脂的稳定性是十分重要的应用指标，不仅影响树脂的运行，还和使用寿命有关。

树脂的稳定性是一比较笼统的概念，最重要的是指树脂的机械强度、耐热性和化学稳定性等。

三）、离子交换树脂的结构和化学性能1、强型树脂和弱型树脂树脂所带交换基团不同，其进行有效离子交换的条件和能力有较大差异，据此将树脂分为强酸、强碱、弱酸、弱碱等类型。

2、交换容量交换容量是树脂最重要的性能指标，它表示单位量（重量或体积）树脂进行离子交换反应的化学基团总数，反映了树脂对离子的交换吸附能力，在实际应用中，交换容量可分为：总交换容量、工作交换容量和再生交换容量。

3、离子交换选择性指树脂对不同离子交换吸附亲和性的差别，该亲和性受树脂交联度、化学基团性质、溶液的离子浓度和组成等的影响，大体的规律是：多价离子优先；较大尺寸的离子优先；原子序数大者优先等。

总之，树脂的选择系数愈大，离子穿漏愈少，交换吸附能力愈强，处理效果愈好。

四）、大孔吸附树脂的结构与性能大孔吸附树脂是一类具有明显大孔结构和极大比表面积、不同孔径的球状聚合物，对有机物有较大的吸附能力，属典型的表面范德华力作用，但影响因素复杂，目前还不能准确估计某重物质就一定能被某重吸附剂所吸附。

实际经验是：梳水性或无极性分子，或分子的无极性部分，可被非极性表面吸附，亲水性或极性分子，易被极性表面吸附。

被吸附物质只有通过孔道运动到吸附剂的内表面才能吸附，所以高分子吸附树脂的孔径大小对吸附性能有很大的影响，应根据被吸附物质的分子尺寸或分子量靠考虑适当孔径的吸附树脂。

吸附过程常常是在介质中进行，介质性质对吸附作用的影响不可忽视。

一般规律是：一切增加被吸附物质溶解度的因素，如温度、溶剂极性、PH变化，都对吸附不利，反之则有利于吸附。

吸附作为分离和提纯的手段，好的吸附效果不仅只考虑吸附，还必须有好的解吸过程。

正确的使用吸附树脂一般参考一下原则：树脂选择性吸附好；确定适当的吸附条件；选择好的解吸剂。

三、树脂的合成及性能测定1、树脂的合成树脂前体合成的方法主要有两种：悬浮条件下的单体共聚，反向悬浮条件下的缩聚。

树脂前体经各种化学反应引入不同的的化学基团就形成了目前种类繁多的离子交换和吸附树脂。